2021.1.22 第7回水工学オンライン講演会

水工学研究
ー防災と環境の調和を目指してー

九州大学
小松利光

釘町彰氏作「海の風景」

今日の発表内容
１．私の歩み２．基礎と応用３．専門性について
4．水理学から水工学へ
5．対話型水域環境整備技術（流況制御ブロック、BaNKブロック・・・）
6．気候変動下での防災と環境の調和を目指して1. 私の歩み
私にとって、研究・教育は思っていた以上に刺激的でダイナミックなものでした！
もう一度人生をやり直せるなら、やはり研究者、それも“人の生命を守り、生命をつなぐものである土木”の分野に携わりたいと思う。是非多くの若い人に研究者を目指して欲しい。

では、研究面で私がどれほど貢献できたのか？となると・・・・・・・やはりウーン！(絶句？)3私の研究の歴史（1）密度流（密度噴流、連行現象、内部波、Plume・・・・）（2）乱流（拡散現象、乱れやReynolds応力のスペクトル、振動格子乱流、大規模渦、・・・・）（3）拡散方程式の移流項の高精度数値シミュレーション手法の開発（6-point scheme, SOWMAC・・・）（4）環境問題（越波エネルギーの獲得と表層水の底層への供給、環境護床ブロック・護岸ブロックの開発・・・）（5）Air bubbleによる河口部の塩水遡上の制御

基礎（江頭先生）

応用（6）洪水に対する住民意識調査（7)自然エネルギーを用いた水環境の回復（流況制御ブ
ロック、One-way pipe、BaNKブロック・・・）（8）有明海研究、流木研究（9）気候変動下の防災研究（人の生命がかかっている）
ー防災と環境の調和を目指してー

年齢と共に応用重視

4

2. 基礎と応用分野の中の基礎と応用
基礎

目に見えない壁理学

応用工学
工学の水理学

水工学
水文学

工天
地

天の理と地の理を結ぶのが“工学”

一人一人が研究テーマとしての基礎と応用を考えるときは年齢や経験に応じた バランスが重要技術者・研究者個人としての成長過程
年齢
基礎（基本）

応用（展開）
学位取得

良き指導者（師）が不可欠
ここでしっかり基盤を作ることが必要

独立

自分が指導者となる

師弟の関係について
栗原 道徳先生（九大 名誉教授）◇◇エピソード◇◇・平野君は読めるんだけ
どなぁ・・・
・不肖の弟子ばかりで・・・
・精密検査の結果・・・

椿 東一郎先生（九大名誉教授）

15年間

小松
平野 宗夫先生（九大名誉教授）
矢野真一郎先生（九大教授）◇◇エピソード◇◇・（石原藤次郎先生）
九大の椿は・・・

粟谷 陽一先生（九大名誉教授）

3年間
浦 勝先生（九工大名誉教授）

渡辺 訓甫先生（佐賀大名誉教授）

３．専門性について
Ｉ型

Ｔ型

π型

かなり安定（綱渡りの棒？）

最も安定

πＩＴ

バックグラウンド

専門
性

不安定

πＴ
Ｔ
π型

Ｔ型

（異分野）

幅広い知識

議論

相互
理解(相互
作用

画期的発想

深,
専門
性

相乗作用

深,
専門
性

一人でも独創的発想「自分の専門しか知らない人は、いくら深くても所詮二流の専門家にしかなれない」 → π型人間の薦め４．水理学から水工学へ
・水理学分野では、従来から土砂水理・密度流・乱流・水文学の研究 風潮（流行）があった（例えば大規模模渦など）
・でも結局、連続の式と運動方程式を使うだけで、もう水理学分野は何もすること（できること？）がないのではないか？

画期的な進展（ブレークスルー）が期待できない、閉塞感 今後水理学は生き残れるのか？
・（卒業生からは）構造力学・地盤工学（土質力学）は良く使うけど、水理学は、あまり使わないんですよ～。 う～ん！

ところがその後、水理学の重要性がどんどん大きくなる（1）世の中が益々複雑化して学際的な問題（環境問題や防災の問題）が顕在化してきたときに基礎学問としての水理学・流体力学の重要性がクローズアップ（2）公害問題や身近な環境問題から地球環境問題まで水・空気の存在や動き・物質輸送が大きな役割を果たす。
（3）気候変動による災害の増加～水・大気が大きな役割（4）コンピューターの出現と発展→数値シミュレーションの力・・

土木学会水理委員会の歴史
1940（昭15）年7月

水理公式集調査委員会、委員長 鈴木雅次先生

1949（昭24）年9月

水理公式集第１刷を刊行
水理委員会が常置委員会として発足
海岸工学委員会が水理委員会から分離独立して設置される

1955（昭30）年4月
2003（平15）年3月

水理委員会から水工学委員会に改名
候補：水圏工学、流域工学、水圏システム工学・・・・モダンな名前も。 今は水工学で良かった！と思う

世の中の仕組みが複雑になればなる程緩やかな変革・変化が重要！
同時に水理講演会→水工学講演会に改称
2007（平19）年 科学研究費の分科・細目「水工水理学」→「水工学」

５．対話型水域環境整備技術について（水域環境の悪化が問題になってきた）自然と人間の共生のためのパートナーシップの構築
人間と自然支配・被支配の関係

パートナーシップへの全般的なシフトが必要

対話が不可欠対話が成立するための条件（1）エンジニアリング思考からマネジメント思考へ（2）調整・後戻りできる技術の開発（3）調整・後戻りできる整備手法への展開（4）自然の声なき声を聞き取る力の獲得

調整・後戻りできる技術の開発
術システムの構築“ 固 定 的 ”

学習・成長できる技“ 柔 軟 ”，“ 微 妙 ”

調整、後戻り可能な技術が開発されると、適用後不測の事態が発生しても、調整したり、撤退したりすることが可能となる。
＜技術・手法の自然への適用：行為＞ー＜現地観測・モニタリング：経験・学習＞ー ＜調整・創造＞というサイクルを繰り返す。

自然との適合を図りながらスパイラル的に、より良いシステムへ改善・成長させていく

順応型管理自然の水環境を改善するためには、人工のエネルギーではなく自然のエネルギー利用が望ましい

（a)流況制御ブロックの技術開発 （潮流場＝往復流場）

潮汐残差流の生成・創造現地への適用

新長崎漁港

排水（閉鎖的港湾への適用）

水産加工工場

実物大の流況制御ブロック（長崎大）西ノ首先生考案の人工コンブ

流況制御ブロックの設置状況

効果の検証・・・ブロックの効果を直接抽出することは困難

流況調査
水質調査

潮汐残差流が小さく，風，密度流の影響が大きかったことから・・・水質（COD），底層のDO濃度に改善傾向が認められる

水深14ｍ

水深16ｍ

水深18ｍ

DO(%)

DO(%)

DO(%)

160
設置前
H1212080
40
H12 4/4 5/4 6/3 7/3 8/2 9/1 10/1 10/31
160
設置後
H1312080
40
H13 4/4 5/4 6/3 7/3 8/2 9/1 10/1 10/31
160
設置後
H1412080
40
H14 4/4 5/4 6/3 7/3 8/2 9/1 10/1 10/31

図．測点⑩における各年の下層DO濃度の経時変化成層抑制効果を有する
新長崎漁港では風と下層の成層構造との相関が高い
ブロック設置前の風速と下層の成層構造の相関関係を用いてブロック設置前後で成層状況を比較

ブロック設置前後で・港内外の下層DO濃度差が小さくなったこと・同一の成層構造でもDOの濃度勾配が小さくなったこと

(b) BaNKブロック（Beach and Navigation Keeper)の技術開発

海岸侵食が進む三保の松原（羽衣伝説で有名な白砂青松だった海岸）

砂の流出を食い止めるために設置されたコンクリートブロック堤（福岡市）

古タイヤを再利用したBaNKブロック

人力によるBaNKブロックの設置

一年
一年一年

6. 今後の気候変動下での防災ー環境との調和を目指してー

写真：ハリケーン・カトリーナによる高潮災害，2005年11月25日
44

死者行方不明：約2000名，被害総額：250億ドル（約3兆円）1

流水型ダム（穴あきダム）について

このダムのことを知った時に『防災と環境保全の両立』が出来るのではないかと思い、大いなる期待を持った

適応策の一つとしての流水型ダム（穴あきダム）a) 河床とほぼ同じ高さに設置された穴を通して水は常時流れるため，平常時に水は貯まらない．従って土砂や魚類も通過する．通常はダムが無いのと同じ状態なので環境への負荷が少ない（連続性の確保）．
b) 安全のための治水専用ダムなので地域住民の合意が得られ易い．
c) 通常は管理の必要がなく，人為的なダム操作が入らない．
通常時

図 流水型ダムの概略図

洪水時

写真 益田川ダムの上流側

・洪水時にある程度まで流入流量が増加したときに貯水が始まる
・流入流量の減少とともに水位は低下し，通常の状態に戻る

流水型ダムの社会性・応用性d) 天然土砂ダムや上流の既存ダムが万一崩壊した場合，また降雨や地震などで大量の土砂がダム湖内に崩落してダムサイトを越水した場合などに生じる段波を，下流に流水型ダムがあると一旦受け止めて，下流側の被害を大幅に低減できる．
現状：Case1
崩壊

地滑り
天然ダムを形成

現状：Case2

山腹崩壊

大雨・地震による山腹崩壊，地滑り

乗り越え

Flowe) 地球温暖化などで将来水資源問題が深刻化したとき，住民の合意のもとで，流水型ダムを低コスト・短期間で容易に貯水ダムに転換できる．従って，水資源の問題解決に大きく貢献できる（益田川ダムの建設に伴う笹倉ダムの例，下図）．また，堤体中腹に穴を設置して少しだけ貯水することで地下水涵養も可能．

Flow

再開発前

一般的なダム

下流市街部
段波

下流側へ段波の襲来

大災害!
流水型ダム
流水型ダムの段波
クッション効果
被害を格段に軽減!

流水型ダム

再開発後
Flow

洪水時にダム湖に堆積する土砂の対策

Flow
堆積土砂

洪水時

堆積土砂

洪水後
ダム上流側に堆積した土砂の撤去

河道内遊水池としての流水型ダム
最近の治水対策としては【流域治水】（溢れるのを認め遊水池や地盤の高い道路で防ぐ，流域全体でソフト対策や土地利用規制などを実施）が挙げられる（→他に術無し）
しかしながら，①遊水池としてのスペースの確保が困難②地球温暖化による災害外力の増大
積極的な対策が必要
通常の遊水池（横越流堰）≒流水型ダム（河道トンネル）
新たなコンセプト「河道内遊水池」としての流水型ダム①河道空間を横方向・縦方向に広げて有効利用することになる．
②普段は水を溜めないので通常の遊水池と同じ．環境への負荷は少ない．
③社会情勢からも建設困難な大規模ダムに代わり，上・中流部に小規模山間遊水池群を設置することで自然に寄り添った治水策の実行・推進が可能．
④ダムが満水になったときゲートを閉めることで更に顕著な洪水のピークカットが得られる。

「大型ダムに依らない治水」を実現！

2017年7月に初版発行
13名の方が分担執筆
我が国で唯一の専門書

連続ダムの高機能化

オーストリアの小規模流水型ダム
ダム貯水池側から見たダム堤体（自然の丘に似てる）
自然の中に溶け込み、自然と共生している

小規模ダム群の活用

小規模流水型ダム群のネットワーク化
その基礎としての直列に配置された流水型ダム群

直列配置された流水型ダム群の治水能力の強化
上流の山間部でのダム越流をある程度許容できる箇所に，複数のダムが直列配置された場合に，‘ダムが満杯になって溢れることを許容する’

・・・新しい治水の概念

従来の考え方
個々のダムで計画高水流量を定め,それぞれのダムが溢れないように洪水処理を行う．→ 従来型

本研究で提案された新しい考え方

上流のダムが満杯になって溢れることを許容し,最下流のダムのみが溢れないように洪水処理を行う．→ 越流型（カスケード方式）

直列配置された流水型ダム群の大きな治水能力
同じ流水型ダム３基

洪水の流入

流量 Q ( m3/s )Qp= 8887 (m3/s)

写真 オーストリアの流水型（穴あき）ダム

基本高水の流入波形
従来型の上流側小規模ダムのQout
従来型の中流部小規模ダムのQout
従来型の下流側小規模ダムのQout
越水型の上流側小規模ダムのQout
越水型の中流部小規模ダムのQout
越水型の下流側小規模ダムのQout

9000
8500
8000
7500
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500

QMax=4792 m3/s
QMax=4000 m3/s

10152025303540Time (hr)

・直列に連続した小規模流水型ダム群を設置し，上流側ダムを溢れさせること（カスケード方式）で，顕著な洪水制御効果が得られる．
・これは，従来の容量確保主体の治水ダムの概念を転換するもので，この考え方は人為操作を伴う従来の貯水型ダムにも適用し得る．
・深層崩壊土砂対策（天然ダムの形成・崩壊に伴う段波対策）としての新たな防災効果が期待できる．

45

カスケード方式の原理
従来型 1086

初期ハイドログラフ

一番目のダムからの放出
二番目のダムからの放出

カスケード方式
10

4
三番目のダムからの放出

102
シャープなハイドログラフほどダムで切り易い

9000

Inflow flood hydrograph

Conventional Qout upstream

8000

Cascade Qout upstream

Conventional Qout at middle

7000

Cascade Qout at middle

6000

Cascade Qout downstream

9000

Inflow flood hydrograph

8000
7000

Flow discharge (m3/s)

Flow discharge (m3/s)

カスケード方式の原理（３ダム直列配置の場合）

Conventional Qout downstream

6000

5000
4000
30002000

5000
4000
3000
2000
1000

1000

00101520253035Time (hr)

従来型

40455055101520253035Time (hr)40

カスケード方式

ダム：ハイドログラフの変換装置

455055同じ大きさの３基のダムが直列に配置された場合従来型の洪水制御が行われた場合のハイドログラフ

越流型（カスケード方式）の洪水制御が行われた場合のハイドログラフ

最下流のダムの放流量で切ってやることが大事

ダムはダムの上下流のハイドログラフ間の変換装置

洪水量 VS ダム容量

: 厳しいヴォリューム勝負

・洪水量 < ダム容量

洪水を抑え込める・洪水量 > ダム容量

異常洪水時防災操作に移行

従って、ダム容量の無駄遣いは許されない

実験装置の概略図
・勾配は1/25・越流する際は全幅で越流

流れの方向

洪水発生装置

整流板
60cm

整流板75cm

425cm

下流側ダム425cm

上流側ダム

中間ダムa)：装置全体の概略図

60cm
5cm

常用洪水吐きb)：ダムの正面図

15cm

穴を塞ぐアクリル板

475cm

7cmc)：ダムの側面図

越流型
1基目のダムからのオーバーフローの状況

実験の様子従来型1基目従来型2基目従来型3基目越流型1基目越流型2基目越流型3基目

実験結果＜Ｈ－Ｑより流量を算出＞

6000

従来型の上流側ダムの放流量
従来型の中間ダムの放流量
従来型の下流側ダムの放流量
越流型の上流側ダムの放流量
越流型の中間ダムの放流量
越流型の下流側ダムの放流量
洪水波形A

流量(cm3/s)

5000
4000
3000

2300cm3/s

2000

1390cm3/s

1000
0
1550

1750

1950
時間(s)

2150

越流型における下流側のダムからの最大放流量は1390(cm3/s)となっており，従来型と比較すると４０％小さくなっている．

2350

オーストリアの小規模流水型ダム
ダム貯水池側から見たダム堤体（自然の丘に似てる）
自然の中に溶け込み、自然と共生している小規模ダム群による順応的治水（流域貯留）

小規模流水型ダム（アースフィル形式）

前述のように貯水型ダムに比べて大幅に環境に優しく、かつ大きな防災効果も期待できる流水型ダムに対しても、貯水型ダムと混同されていることもあり未だに風当たりが強く、新規のダムの構築は極めて困難な状況

発想の転換・新しい展開が必要

令和2年7月豪雨災害からの教訓と今後のリスク

地球温暖化による気候変動の本当の怖さ
・ 先が見えない。どこまで行ったら地球温暖化が頭打ちになって定常状態になるのかが分からない。

→ “ ゴールが逃げていく ”“まさか” が “またか”に・ 大河川・中小河川を問わず川の流域を強烈な豪雨が襲うようになる。

1.令和2年7⽉の九州の豪⾬災害の特徴
球磨川⽔害
原因：流域全体に⼤きな降⾬
球磨川流域の独特の地形

筑後川⽔害
原因：流域全体に⼤きな降⾬
筑後川流域の狭窄部

球磨川⽔害

梅⾬前線は北部九州にかかってる今回の球磨川⽔害では、⽔蒸気の流れ『⼤気の川』により⼤量の⽔蒸気が供給され、流域全体(1,880km2)に亘って猛烈な豪⾬が襲ったのが特徴
降⾬特性（24時間⾬量：期間7/3⽇10時〜4⽇9時）

気象庁解析⾬量より京⼤野原・⾓作成

球磨村渡地区（引っかかってる漂流物から浸⽔深の⾼さが分かる） 熊本⽇⽇新聞社

徐々に広域化する豪⾬域

降⾬域の広域化 (⼀級河川の流域と⾬域が重なる）
インド洋や東シナ海から供給された⼤量の⽔蒸気が前線に流れ込む（名⼤坪⽊・東⼤中村）

⾬域は東⻄に細⻑く⻄九州から東九州にまで及んでいる

今回は流⽊は⽐較的少ない → 全域に万遍無く降⾬
流⼊⽔蒸気量の増⼤により線状降⽔帯は広域化・⼤型化している。

全国のアメダス各観測点で観測された
年時間最⼤降⽔量の全地点の平均値

令和２年台⾵１０号

台⾵10号の衛星写真

9⽉5⽇(⼟）２１：００

NICTひまわりWeb ウェザーニュース加⼯

地球温暖化
気温・海⽔温の上昇気流による供給⽔蒸気量の増⼤

今後

線状降⽔帯の広域化・強⼤化&
台⾵の強⼤化を覚悟しなければならない

雨量強度
総降雨量

降雨の大きさ・強さと河川の規模による災害の形態・様相の分類

流木・土砂・洪水災害
大肥川上流部
赤谷川
白木谷川
黒川
寒水川
疣目川
奈良ヶ谷川
北川
星野川

：H29九州北部豪雨：H２４九州北部豪雨：R2.7 ：九州豪雨

流木・洪水災害た玉来川
大肥川中・下流部

山国川

球磨川

筑後川本線

花月川
桂川

筑後川
本川

洪水災害

流域面積

（河川の規模）小河川
中河川上流部
大河川上流部

中河川中・下流部
大河川中流部

大河川
下流部

広域化

九州はこれから豪⾬災害のリスクが更に⾼まる？
（今は九州受難の時代の始まりか）九州の地形

南北に脊梁⼭脈である九州⼭地があり、東⻄の分⽔嶺となる

線状降水帯が大型化・広域化

1級河川が被災
大型災害（Ex.昨年の球磨川災害）

線状降水帯が狭い範囲に集中的に作用

2級河川以下の小河川が被災

九州の⼀級河川の流域の形状の例
⼤分川流域

筑後川流域

緑川流域

東⻄に伸びる流域と線状降⽔帯の⾬域がスッポリと重なったら？

今後九州は受難の時代を迎える？

（出典：気象庁気象研究所）

緑⾊の濃淡は標⾼（m）、⽔⾊の線は球磨川の流路（出典：気象庁気象研究所）

（出典：気象庁気象研究所）

⽔蒸気流⼊量前1時間降⽔量降⾬域の広域化 (⼀級河川の流域と⾬域が重なる）
インド洋や東シナ海から供給された⼤量の⽔蒸気が前線に流れ込む（名⼤坪⽊・東⼤中村）

⾬域は東⻄に細⻑く⻄九州から東九州にまで及んでいる

今回は流⽊は⽐較的少ない → 全域に万遍無く降⾬
流⼊⽔蒸気量の増⼤により線状降⽔帯は広域化・⼤型化している。

東西に細長い流域を持つ九州の一級河川の流域とやはり東西に長くなる大型化した線状降水帯が重なったら昨年7月の球磨川水害・筑後川水害の再来

大型河川災害の頻発化

では球磨川ではどういう対策が考えられるか？

球磨川の本川に対しては？

⼭地部では、⼩規模流⽔型ダム（河道内遊⽔池）群のネットワークの活⽤（カスケード⽅式）&盆地部では、遊水池や氾濫原の活用

球磨川流域（流域全体が盆地と狭窄部のone pairから構成される）（⼈吉盆地最下端地点の集⽔⾯積は流域全体の8割に及ぶ）

盆地内と狭窄部で⼤きな被害が発⽣
坂本地区
川辺川
球磨川
⼋代海
⼈吉盆地
球磨村

小規模流水型ダム群による順応的治水（流域貯留）

小規模流水型ダム（アースフィル形式）

⽀川の川辺川に対しては？
流⽔型ダム（⽳あきダム）は環境には優しいが、洪⽔調節の⾯で貯⽔型と⽐較して効率が落ちる

Hybrid 型の⼤型流⽔型ダム（双⽅の利点を⽣かす）を提案

通常時 or 中⼩洪⽔時には⼤洪⽔時には⽳のゲートを閉じて『流⽔型ダム』として機能する『貯⽔型ダム』として機能させる

むしろ『大型貯水型ダムの堤体の河道付近にゲート付きの穴』を設置するイメージ令和2年7⽉⽔害に対する想定操作

流水型ダムの常用洪水吐き

色々な機能が要求される流水型ダムの常用洪水吐きは環境用に特化させて、洪水時にはゲートを閉めて使わないようにする

常用洪水吐きの前のスクリーン

４．まとめ・今年7⽉の⽔害は、⼀級河川の流域と線状降⽔帯の⾬域が重なることによって発⽣した⼤型⽔害であり、従来とは様相を異にする。温暖化により線状降⽔帯が広域化・⼤型化すると、特に盆地や狭窄部が極めて危険となる。
・流域全体に降る⼤⾬による⽔害の脅威は、我々に新たな難題を突き付けた。短時間・⼩領域への集中豪⾬はピーク流量への対処が求められるが、流域全体への豪⾬による⼤河川の氾濫には、ピーク流量に加えてトータルな⽔の量そのものに対しての対応が必要である。
・今後の線状降⽔帯の特性の変化に注意が必要である。
また、特に九州は我が国の最⻄端に位置することから、線状降⽔帯に真っ先に遭遇し、流域の地形が東⻄に延びてる⼀級河川が多いた
め、今回の球磨川のような⼤型⽔害の発⽣確率は⾼くなる。
・台⾵・豪⾬等の災害外⼒が強⼤化・⼤型化してくるに従い、災害は複合化してくる。⽔だけでなく流⽊・⼟砂、強⾵、インフラとの相互⼲渉、さらには新型コロナウィルスなどによる感染症災害との同時⽣起による深刻化に対し、⼗分な準備・対策が必要である。
・球磨川の洪⽔対策には、川辺川ダムが不可⽋と思われる。環境にも配慮して、Hybrid型の流⽔型ダムを推奨したい。。

若い人へ（もし自分が若かったら心がけたいと今思うこと）

・ 基礎・応用・実用のバランスをうまく取っていく。
・ 常に『何のため？』を自分に問う。
納得して研究する、行動する （やはり人に喜ばれる仕事をしたいから）。
・ 出来るだけ広く総合的にモノを考えながらも、もの事の本質を見抜こうとする癖を付ける。
・ 若い内にシミュレーションだけでなく、出来るだけ実験・現地観測もやっておく（苦手を作らない）。

古来よりずっと私達の生活を支えてきているのに当たり前すぎて気付かれない存在

土 木
サン＝テグジュペリは「星の王子さま」の中で「肝心なことは目に見えないんだよ」と述べている．

“目立たなくても評価されなくても人の生命を守る土木の使命は偉大です”

98

“防災は備えと意識と助け合い”（京浜東北線「東十条駅」で見た標語）

Fin!
ご清聴、ありがとうございました